[发明专利]一种通用于碱金属离子电池的有机电极材料及其应用

说明书

本发明属于离子电池电极材料领域，具体涉及一种通用于碱金属离子电池的有机电极材料及其应用，包括：其为在由苯环、吡嗪和苯醌中的一种或多种组合构成的π共轭结构骨架上，排布氨基和/或羟基官能团作为端基，形成含分子内或分子间氢键作用的有机物。其以不饱和羰基、吡嗪为氧化还原活性位点，利用羰基、吡嗪、羟基以及氨基中的N、O与金属离子的协同配位作用，形成螯合物，实现金属离子可逆储存；结构柔性，可通用于多种碱金属离子电池；具有丰富的活性位点，可实现电池高比容量性能；分子内构成π共轭结构，有利于实现电池优异的倍率性能；分子内或分子间存在氢键相互作用，有利于稳定材料结构，避免电极材料的溶解，实现电池的循环稳定性能。

技术领域

本发明属于离子电池电极材料领域，更具体地，涉及一种通用于碱金属离子电池的有机电极材料及其应用。

背景技术

在过去近30年的时间里，以镍、钴、锰为主要元素的无机锂离子电池取得了显著的成绩，广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等各个领域。随着能源需求的不断扩大，锂、镍、钴等金属消耗速度和购买成本的持续上涨，以及绿色生态环境的压力与日俱增，人们亟待找到锂离子电池的替代品和开发更多高容量、低成本、可持续、环境友好型电极材料。

有机电极材料主要由C、H、O、N元素组成，与传统无机电极材料相比具有制备成本低廉、质量轻、结构柔性、适用于不同金属离子、自然资源丰富和绿色可回收等优点。此外，通过在有机材料中引入特异性官能团或分子间相互作用力，可以很容易地实现分子结构和容量的设计和调控，这些优点表现出有机材料在储能领域的巨大潜力，也给其作为电极材料带来了广阔的应用前景，受到越来越多关注。

当前已有研究将有机材料用作电极材料，但具有较高的理论比容量、并且易于大批量制备进而具有成本低和现实应用性的有机小分子电极材料，易溶于有机电解液，导致电池容量急剧衰减、循环不稳定。有人提出聚合的方法来改善有机电极材料的溶解性，但这也大大牺牲了小分子材料高比容量和低成本大批量生产的优势。因此，为解决这一致命的问题，探索稳定有机小分子电极材料的新方法，并成功应用到碱金属离子电池中具有重要的科学意义和实用价值。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种通用于碱金属离子电池的有机电极材料及其应用，其目的在于解决现有有机电极材料中小分子电极材料存在的溶解问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种通用于碱金属离子电池的有机电极材料，其特征在于，在由苯环、吡嗪和苯醌中的一种或多种组合构成的π共轭结构骨架上，排布氨基和/或羟基官能团作为端基，形成含分子内或分子间氢键作用的有机物，作为通用于碱金属离子电池的有机电极材料；

其中，该有机电极材料以不饱和羰基、吡嗪为氧化还原活性位点，利用羰基、吡嗪、羟基以及氨基中的N、O与金属离子的协同配位作用，形成螯合物，实现金属离子的可逆储存。

进一步，所述有机电极材料的结构通式选自如下结构通式中的一种：

其中，R₁、R₂、R₃和R₄均为官能团，分别独立地选择氨基和羟基中的一种。

本发明还提供一种碱金属离子电池，其一个电极或两个电极的电极材料为如上所述的有机电极材料。

进一步，碱金属为锂、钠或钾。

本发明还提供一种如上所述的碱金属离子电池的制备方法，包括：将导电添加剂、粘合剂以及如上所述的有机电极材料分散到分散溶剂中，所得到的混合浆料作为制备一个电极或多个电极的浆料。

进一步，所述有机电极材料、所述导电添加剂和所述粘合剂三者质量比为(5～8)：(4～1)：1；